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CA 02316822 2000-06-28
WO 99/35402 PCT/CH98/00547
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Dispositif de refroidissement.
_ La présente invention concerne un dispositif de
refroidissement en circuit fermé pour une pompe à vide avec
des éléments en mouvement logés dans un corps de pompe, le
circuit fermé comportant des chambres de refroidissement
parcourues par un fluide, ménagées dans les parois du corps de
pompe, un échangeur de chaleur alimenté d'un côté par le
fluide de refroidissement provenant des dites chambres et de.
l'autre par un flux d'air, et un retour de fluide entre
l'échangeur et les chambres de refroidissement.
Le dispositif est destiné en particulier à une pompe à
vide avec deux vis jumelles logées dans un même cylindre,
engrenant l'une dans l'autre, et comportant un moteur relié à
l'une des vis
Les pompes à vide conçues pour des performances élevées
nécessitent un refroidissement et on sait réaliser des
dispositifs de refroidissement selon la définition ci-dessus.
En général le fluide de refroidissement est de l'eau. Ces
dispositifs en circuit fermé se distinguent des systèmes à eau
perdue, qui actuellement ne sont plus acceptables pour des
raisons écologiques et économiques. Ils se distinguent auss i
des systèmes à air direct qui sont inadéquats étant donné les
exigences des pompes à vide au point de vue des quantités de
chaleur à évacuer '
Cependant les dispositifs à circuit fermé connus jusqu'à
maintenant présentent encore des défauts lorsqu'il s'agit
d'équiper des pompes à vide de grande performance et de
construction compacte, comme le sont les pompes à deux vis
jumelles logées dans un méme cylindre, surtout quand le profil
des vis est étudié de manière à obtenir une efficacité
maximale, avec une vitesse de rotation élevée et un
encombrement aussi réduit que possible. De toute manière les
systèmes de refroidissement à circuit fermé connus présentent
l'inconvénient de nécessiter une pompe de circulation. De plus
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les pompes à hautes performances exigent un radiateur de
dimensions particulièrement grandes.
Le but de la présente invention est donc de créer un
dispositif de refroidissement qui évite les défauts
susmentionnés.
A cet effet le dispositif selon l'invention est
caractérisé en ce que L'échangeur de chaleur est un
condenseur, en ce que le flux d'air de refroidissement est
engendré par un ventilateur entrafné par le moteur de la
pompe, et en ce que les chambres de refroidissement sont
dimensionnées de manière que le fluide ait atteint son point
d'ébullition à la sortie de celles-ci.
Selon un mode d'exécution, le ventilateur est monté
directement sur l'arbre d'une des vis et peut être placé entre
la vis entraînée et le moteur.
Le condenseur peut être à circulation croisée et
comporter une enceinte contenant un réseau de tubes dont au
moins une partie sont en position inclinée de manière à être
parcourus de haut en bas par le fluide de refroidissement
vaporisé, la dite enceinte pouvant comporter une ouverture
latérale à sa partie supérieure pour l'entrée du flux d'air
et, à sa partie inférieure, un raccord au conduit d'entrée du
ventilateur.
L'invention concerne également une pompe à vide à deux
vis jumelles logées dans un même cylindre, engrenant l'une
dans l'autre, et comportant un moteur relié à l'une des vis,
et comportant un dispositif de refroidissement selon
l'invention.
On va décrire ci-après, à titre d'exemple, .une forme
d'exécution de l'objet de l'invention en se référant au dessin
annexé dans lequel:
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la figure 1 est une vue schématique du dispositif,
la-figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble de la
pompe avec son circuit de refroidissement, et
la figure 3 est une vue en coupe par un plan horizontal au
niveau des axes des vis, de la pompe de la figure 2.
Le dispositif de refroidissement pour pompe à vide
représenté au dessin fonctionne en circuit fermé selon le
principe de l'évaporation ou de l'ébullition.
Les moyens mis en oeuvre pour cela sont représentés
schématiquement à la figure 1. Les éléments principaux
consistent simplement en un condenseur 1 disposé à la partie
supérieure du dispositif et en un ensemble de chambres de
refroidissement 2, un vase d'expansion l' étant disposé entre
les chambres de refroidissement et le condenseur. Les chambres
de refroidissement sont disposées dans les parois du corps de
pompe cylindrique et dans son couvercle. Elles sont
dimensionnées de façon que la chaleur dégagée par la pompe à
vide en mârche normale amène le fluide de refroidissement, qui
est de l'eau, à la température d'ébullition soit 100° C si la
pression est voisine de la pression atmosphérique. Il se forme
donc dans les chambres 2 un flux de vapeur d'eau 7 qui est
conduit par des tubulures 9 à l'entrée, c'est-à-dire-à la
partie supérieure, du condenseur 1. Sous. l'effet d'un flux
d'air 5 qui traverse le condenseur 1 en circulation croisée,
la vapeur d'eau se condense dans la partie basse des tubes de
condensation et retourne par gravité à travers la tubulure de
retour 6 à l'entrée des chambres 2. Pour provoquer une
circulation forcée du flux d'air 5 un ventilateur 3 est
incorporé à la pompe, entrafné par le moteur de la pompe. Une
sonde de température 17 surveille le fonctionnement de
l'ensemble et intervient en cas de situation anormale. Selon
une variante, l'ensemble peut être agencé de façon que le flux
d'air traverse le condenseur dans le sens contraire à celui
représenté par les flèches de la figure 2.
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La figure 2 montre la disposition constructive des
éléments décrits ci-dessus. Le cylindre de pompe 8 est à
disposition horizontale avec une tubulure de refoulement 9 et
une tubulure d'aspiration 10. Un moteur 11 entraîne
directement l'arbre d'une des vis. Des chambres d'eau 2 sont
ménagées sous la forme de canaux dans l'épaisseur des parois
du cylindre 8 et la vapeur produite est amenée par la tubulure
4, extérieure au cylindre, au condenseur 1. Celui-ci comporte
une enceinte 13 dont la partie inférieure 14 repose sur le
cylindre 8, en disposition transversale et dont la partie
supérieure 15 disposée obliquement se raccorde par son
extrémité haute à la tubulure de vapeur 4. Dans la partie
inclinée 15 et dans la partie transversale 14 de l'enceinte 13
sont disposés des réseaux de tubes qui aboutissent au conduit
de retour 6.
La paroi supérieure inclinée de l'enceinte 13 est percée
d'une ouverture 16 par où pénètre le flux d'air 5 dont la
sortie est figurée sous le bloc de pompe par les flèches 5a.
Pour plus de détails on se référera maintenant à la
figure 3 qui montre le cylindre 8 coupé par un plan horizontal
au niveau de l'axe des vis~l8 et 19, supportées par les quatre
paliers 20 et reliées l'une à l'autre par les pignons 21.
L'arbre de la vis l8.est prolongé en direction du moteur 11
auquel il est accouplé directement et ce prolongement porte la
roue 22 du ventilateur 3 dont la volute de sortie 24 s'ouvre
vers le bas, sous la pompe. On remarque, dans l'épaisseur des
parois latérales du cylindre 8, les chambres d'eau 2 qui
entourent les spires et les paliers des vis 18 et 19 voisins
du refoulement, où se développe le maximum de chaleur. Dans la
forme d'exécution décrite ici, les spires des vis voisines de
l'aspiration tournent dans une partie de cylindre qui est
pourvue d'ailettes de refroidissemént à l'air ambiant 25.
D'autre part la paroi du cylindre 8 est traverséé au voisinage
des chambres 2 par un dispositif à soupape de sécurité 26
permettant en cas de besoin, de casser le vide dans l'espace à
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évacuer, éventuellement en y faisant pénétrer de l'azote. La
sonde de température 17 est placée immédiatement au-dessus de
cette sécurité. Au cas où un échauffement exagéré se
manifesterait dans la pompe, risquant de faire baisser dans
les chambres 2 le niveau de la surface limite eau-vapeur,
cette sonde peut soit déclencher une alarme, soit stopper le
moteur ou intervenir d'une autre façon.
Le dispositif décrit présente l'avantage combiné d'une.
très grande efficacité de,refroidissement sous un faible
volume, et d'une grande simplicité. La grande efficacité
découle du fait que la chaleur est captée dans le fluide de
refroidissement par le changement d'état de ce dernier. Dans
le cas de l'eau on sait que la chaleur de vaporisation est de
2250 KJ/Kg et que si la pression reste voisine de la pression
atmosphérique la température restera constamment à 100° C tant
que toute l'eau n'est pas évaporée. Pour calculer les données
du système on partira de la puissance Pm (Watt) que le moteur
doit fournir. Le dégagement de chaleur provient d'une part des
pertes dans le moteur et des frottements dans la pompe, et
d'autre part de la compression du gaz évacué. En fait pour la
chaleur Pc (Watt) à évacuer il faut compter une valeur de:
Pc = 0, 8 Pm
Les chiffres ci-dessus permettent de calculer le débit de
vapeur qûi doit étre produit pour évacuer cette chaleur dans
des conditions stables, et par conséquent de dimensionner les
chambres 2. Pour le calcul des dimensions du condenseur et du
ventilateur, on tiendra compte d'une température de l'air
ambiant de 30 à 50° C.
Les essais pratiques ont montré qu'avec ces conditions le
dispositif de refroidissement fonctionnait de façon
parfaitement fiable tout en étant d'un encombrement beaucoup
plus faible que celui d'un refroidisseur à circulation d'eau
de type habituel. Le circuit de refroidissement se crée
entièrement par gravité, sans que la circulation doive être
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forcée. Le ventilateur du condenseur étant directement
entraîné par le moteur de la pompe, aucun entraînement
supplémentaire n'est nécessaire. De plus, la bonne
transmission de chaleur par l'effet de la condensation permet
d'.utiliser un condenseur de petite taille. Ce dispositif de
refroidissement s'est révélé parfaitement efficace avec des
pompes du type décrit ci-dessus, dont les filets des vis
présentent une conformation spécialement étudiée pour
atteindre un rendement d'extraction très élevé. .
Afin d'éviter d'éventuels problèmes de gel du liquide de
refroidissement, lorsque les pompes sont destinées à être
utilisées dans des lieux où la température peut descendre au-
dessous de 0° C, on peut utiliser comme liquide de
refroidissement, un mélange de 25 $ d'éthylène/glycol ou
propylène/glycol et 75 ~ d'eau ou tout autre mélange d'eau et
de liquide antigel adéquat.
